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基于材料与结构一体化的车体被动安全性仿真和优化

作　者: 李旭光
导　师: 陈秉智
学　校: 大连交通大学
专　业: 车辆工程
关键词: 被动安全性高速动车碰撞仿真吸能装置优化设计
分类号: U270.32
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

目前,我国铁路进入了高速的发展时期,随着多条客运专线的建立,铁路车辆的运营速度将进入一个崭新的高度。伴随着列车速度的全面提升,列车的被动安全性成为现代铁路车辆研究的重要热点之一。本文主要从车辆耐撞结构和吸能材料两方面入手,以某高速车车体为研究对象,基于材料与结构一体化思想,利用虚拟数值仿真技术,对车辆被动安全性问题进行研究。首先,本文阐述了车辆被动安全性的重要性,简要介绍了高速车耐撞性虚拟仿真所采用的基本原理和关键性技术,主要包括基本力学方程、求解算法、接触算法等。其次,建立了五种适用于高速动车的吸能结构,分别为普通双层吸能管结构、端部带有薄弱环节的三种典型吸能结构和泡沫铝材料夹心双层吸能管结构。再次,建立一个适用于高度非线性碰撞的列车车体有限元模型,根据EN15227:2008标准,利用PAM-CRASH软件,分别将五种不同的吸能结构安装到整车上进行相同编组对撞试验。针对碰撞仿真的结果,评价车辆的整体被动安全性,并通过各工况结果的对比,分析出各个吸能装置的优劣。最后,集成碰撞仿真软件PAM-CRASH与多学科协同优化软件iSIGHT,对车辆的吸能结构进行尺寸优化,通过对吸能管厚度的优化,同时达到车钩吸能最大和最大撞击力最小两个优化目标。利用OptiStruct软件对车端防撞装置进行拓扑优化,根据拓扑优化的相关理论,将防撞装置的多余材料去除,从而完成防撞装置的轻量化设计,并验证了重新设计防撞装置的耐撞性。论文研究表明,基于材料与结构一体化设计思想的车辆吸能结构提高了整车的被动安全性,在材料使用方面,泡沫铝夹心吸能装置在加速度和逃生空间等几项指标中表现最好。在结构设计方面,车钩端部薄弱环节的设置更有利于能量吸收。吸能结构的尺寸优化和防撞装置的拓扑优化都达到了提高车辆被动安全性的目的,这些对铁路车辆碰撞被动安全性的设计具有重要的参考价值和借鉴意义。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-17
  1.1 研究的背景和意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-14
    1.2.1 大变形碰撞技术的研究现状  11-12
    1.2.2 结构优化的研究现状  12-13
    1.2.3 端部有薄弱环节吸能结构研究现状  13
    1.2.4 泡沫铝吸能材料的研究现状  13-14
  1.3 碰撞标准  14-15
  1.4 技术路线  15-16
  1.5 本文主要研究内容  16
  本章小结  16-17
第二章大变形碰撞仿真理论基础  17-23
  2.1 大变形碰撞仿真的算法原理  17-19
    2.1.1 基本方程  17-18
    2.1.2 求解算法  18-19
  2.2 大变形碰撞仿真的关键技术问题  19-22
    2.2.1 显式中心差分法  19-22
    2.2.2 接触-碰撞界面算法  22
  本章小结  22-23
第三章有限元模型的建立  23-27
  3.1 软件介绍  23-24
    3.1.1 HYPERMESH介绍  23
    3.1.2 PAM-CRASH介绍  23-24
  3.2 头车建模  24-25
  3.3 钩缓装置等效模型的建立  25-26
    3.3.1 车钩有限元模型  25-26
    3.3.2 车钩等效吸能验  26
  本章小结  26-27
第四章典型车钩吸能装置的建立与仿真  27-34
  4.1 端部带有薄弱环节的吸能结构的提出  27
  4.2 三种典型的带有薄弱环节吸能结构的仿真分析  27-30
    4.2.1 带有薄弱环节吸能结构的有限元模型  27-28
    4.2.2 车钩吸能等效验证  28-30
  4.3 泡沫铝夹心吸能结构的建立和仿真分析  30-33
    4.3.1 泡沫铝夹心吸能结构的建立  30-32
    4.3.2 车钩吸能数值模拟  32-33
  本章小结  33-34
第五章带有吸能装置的整车碰撞仿真分析  34-74
  5.1 两列带普通双层吸能管的头车对撞仿真分析  34-42
    5.1.1 有限元模型  34-35
    5.1.2 碰撞仿真结果分析  35-42
  5.2 两列带有矩形薄弱环节吸能管的头车对撞仿真分析  42-49
    5.2.1 有限元模型  42-43
    5.2.2 碰撞仿真结果分析  43-49
  5.3 两列带有花冠型薄弱环节吸能管的头车对撞仿真分析  49-56
    5.3.1 有限元模型  49
    5.3.2 碰撞仿真结果分析  49-56
  5.4 两列带有内倒角薄弱环节吸能管的头车对撞仿真分析  56-62
    5.4.1 有限元模型  56
    5.4.2 碰撞仿真结果分析  56-62
  5.5 两列带有泡沫铝夹心双层吸能管的头车对撞仿真分析  62-69
    5.5.1 有限元模型  62-63
    5.5.2 碰撞仿真结果分析  63-69
  5.6 多种吸能装置的方案对比  69-73
  本章小结  73-74
第六章高速车车体端部吸能部件优化设计  74-87
  6.1 工程结构优化设计相关软件介绍  74-75
    6.1.1 多学科优化软件iSIGHT介绍  74
    6.1.2 OptiStruct优化求解器介绍  74-75
  6.2 车辆前端吸能管尺寸优化  75-79
    6.2.1 有限元模型  75
    6.2.2 数学模型  75
    6.2.3 优化前吸能结果分析  75-77
    6.2.4 优化后吸能结果对比分析  77-79
  6.3 车辆前端防撞装置拓扑优化  79-86
    6.3.1 有限元模型  79-80
    6.3.2 优化前碰撞结果分析  80-81
    6.3.3 拓扑优化结果分析  81-83
    6.3.4 优化后碰撞结果分析  83-85
    6.3.5 优化前后性能对比分析  85-86
  本章小结  86-87
结论与展望  87-89
参考文献  89-91
攻读硕士学位期间发表的学术论文  91-92
致谢  92

基于材料与结构一体化的车体被动安全性仿真和优化

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